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DICOM 图像查看器

Harsha T
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2009 年 4 月 29 日

CPOL

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一个简单的 DICOM 3.0 文件格式（C#）图像查看器。文件应包含原始像素数据，未压缩。还提供窗位功能。

 

dicomImageViewer/DicomViewer.png

引言

DICOM 是 Digital Imaging and COmmunication in Medicine（医学数字成像和通信）的缩写。DICOM 标准解决了不同成像设备之间的基本连接性，以及医学成像部门的工作流程。DICOM 标准由美国国家电气制造商协会（NEMA）创建，还涵盖了医学图像的分发和查看。该标准包含二十个部分（截至 2013 年），可在 NEMA 网站免费获取：http://medical.nema.org。在标准的内部也包含图像文件格式的详细规范。在本文中，我们将介绍一个 DICOM 图像查看器。我们还将演示如何通过窗位修改显示图像的亮度和对比度。

DICOM 图像文件格式

现在我们简要介绍一下 DICOM 图像文件格式。与所有其他图像文件格式一样，DICOM 文件由头部和像素数据组成。头部包含患者姓名和其他患者详细信息以及图像详细信息。图像详细信息中重要的是图像尺寸——宽度和高度，以及每像素位数。所有这些详细信息都隐藏在 DICOM 文件中，以标签和值的形式存在。

在我们深入研究标签和值之前，先简要介绍一下 DICOM 本身和相关术语。在下面的内容中，我们将只解释与 DICOM 文件相关的术语和概念。特别是，我们不讨论 DICOM 标准的通信和网络方面。

DICOM 中的一切都是一个对象——医疗设备、患者等。对象，如同面向对象编程一样，以属性为特征。DICOM 对象根据 IODs（信息对象定义）进行标准化。IOD 是描述数据对象的属性集合。换句话说，IOD 是对一类相似现实世界对象的抽象，它定义了与该类相关的性质和属性。DICOM 还对最常用的属性进行了标准化，这些属性列在 DICOM **数据字典**（标准第 6 部分）中。如果应用程序在标准列表中找不到所需的属性名称，它可以添加自己的私有条目，称为私有标签；因此，DICOM 中可能存在专有属性。 

属性的示例包括 Study Date、Patient Name、Modality、Transfer Syntax UID 等。正如所见，这些属性需要不同的数据类型才能正确表示。在 DICOM 中，这种“数据类型”称为**值表示**（VR）。定义了 27 种这样的 VR，它们是 AE、AS、AT、CS、DA、DS、DT、FL、FD、IS、LO、LT、OB、OF、OW、PN、SH、SL、SQ、SS、ST、TM、UI、UL、UN、US 和 UT。例如，DT 表示日期时间，一个串联的日期时间字符串，格式为 YYYYMMDDHHMMSS.FFFFFF&ZZXX。关于这些 VR 的详细解释，请参阅标准（2011 版）第 5 部分（第 6.2 节）。VR 的一个重要特性是其长度，它应始终为偶数。  

属性的特征是其标签、VR、VM（值多重性）和值。**标签**是一个 4 字节值，唯一标识该属性。标签分为两部分，组标签和元素标签，每部分长度为 2 字节。例如，标签 0010 0020（十六进制）表示患者 ID，VR 为 LO（长字符串）。在此示例中，0010（十六进制）是**组标签**，0020（十六进制）是**元素标签**。DICOM 数据字典提供了所有标准化组和元素标签的列表。

了解标签是否为强制性也很重要。标准（2011 版）第 5 部分第 7.4 节给出了数据元素类型，定义了五种类别——Type 1、Type 1C、Type 2、Type 2C 和 Type 3。如果您的应用程序处理，例如，数字 X 射线，那么请参阅标准（2011 版）第 3 部分，表 A.26-1，以识别此项的强制性和非强制性标签。例如，从该表中，再次参考 C.7.1.1 获取与患者对应的详细信息。对 A.26-1 表中的所有条目重复此操作。其他模态也类似。  

另一个重要概念是**传输语法**。简单来说，它告诉一个设备是否可以接收另一个设备发送的数据。每个设备都附带自己的 DICOM 兼容性声明，其中列出了设备可接受的所有传输语法。传输语法说明了传输的数据和消息是如何编码的。DICOM 标准的第 5 部分（第 10 节）将传输语法定义为一组编码规则，这些规则允许应用程序实体无歧义地协商它们能够支持的编码技术（例如，数据元素结构、字节顺序、压缩），从而允许这些应用程序实体进行通信。（这里还有一个术语——**应用程序实体**是 DICOM 设备或程序的名称，用于唯一标识它。）非压缩图像的传输语法是： 

  • Implicit VR Little Endian，UID 为 1.2.840.10008.1.2
  • Explicit VR Little Endian，UID 为 1.2.840.10008.1.2.1
  • Explicit VR Big Endian，UID 为 1.2.840.10008.1.2.2

使用 JPEG 有损或无损压缩技术压缩的图像具有自己的传输语法 UID。查看器应能够识别传输语法并相应地解码图像数据；或者在无法处理时显示适当的错误消息。

关于 DICOM 文件的更多要点

  • 它是一个二进制文件，这意味着像 Notepad 或 Notepad++ 这样的基于 ASCII 字符的文本编辑器无法正确显示它。
  • DICOM 文件可能以 Little Endian 或 Big Endian 字节序编码。
  • DICOM 文件中的元素始终按标签的升序排列。
  • 私有标签始终为奇数。

有了这些背景，现在是时候深入研究 DICOM 文件格式了。DICOM 文件包含以下部分：

  • 序言：包含 128 字节，后跟，
  • 前缀：包含字符 'D'、'I'、'C'、'M'，后跟，
  • 文件元头：其中包含媒体 SOP 类 UID、媒体 SOP 实例 UID 和传输语法 UID 等。默认情况下，这些都以显式 VR、小端格式编码。数据应根据 VR 类型进行读取和解释。
  • 数据集：包含多个 DICOM 元素，以标签和值作为特征。

DICOM 图像读取器主要功能是根据传输语法读取不同的标签，然后相应地使用这些值。图像查看器需要读取图像属性——图像宽度、高度、每像素位数以及实际像素数据。本文提出的查看器可用于查看具有非压缩传输语法的 DICOM 图像。我们尝试读取旧的（DICOM 标准 3.0 版本之前）DICOM 文件。 

DICOM 图像查看器代码 

市面上有许多免费的 DICOM 图像查看器。但是，我们找不到任何用 C# 实现的查看器。ImageJ 是一个免费的基于 Java 的查看器（带源代码），能够显示包括 DICOM 在内的多种格式的图像。我们的目的是在 C# 中模拟 ImageJ 代码，创建一个简洁的 DICOM 文件查看器。 

此查看器的功能包括：

  • 打开具有显式 VR 和隐式 VR 传输语法的 DICOM 文件
  • 读取图像位深度为 8 或 16 位的 DICOM 文件。还读取位深度为 8 像素、每像素 3 字节的 RGB DICOM 文件——这些图像来自超声模态。
  • 读取只包含一个图像的 DICOM 文件 
  • 读取 DICONDE 文件（DICONDE 文件是包含 NDE - 非破坏性评估 - 标签的 DICOM 文件）
  • 读取旧的 DICOM 文件——其中一些没有序言和前缀。它们在开头只包含字符串 1.2.840.10008。
  • 显示 DICOM 文件中的标签 
  • 通过“缩放到适合”功能，使用户能够完整查看 DICOM 图像 
  • 使用户能够将 DICOM 图像另存为 PNG  

此查看器不旨在： 

  • 检查所有必需的标签是否存在
  • 打开除显式和隐式 VR 以外的 VR 文件——特别是，不打开 JPEG 压缩的有损和无损文件 
  • 读取一系列图像

尽管 DICOM 图像经常将像素数据存储为 JPEG 压缩格式，但我们没有在此应用程序中包含 JPEG 解压缩，因为它会将焦点转移到其他地方。

代码是用 C# 编写的，并在 Visual Studio 2019 上构建。软件本身组织成一组文件，如下所示：

  1. DicomDictionary.cs，包含 DICOM 数据字典，如标准第 6 部分所示
    class DicomDictionary
{
   public Dictionary<string, string> dict = new Dictionary<string,string>()
   {
       {"20002", "UIMedia Storage SOP Class UID"}, 
       {"20003", "UIMedia Storage SOP Inst UID"},
       {"20010", "UITransfer Syntax UID"},
       {"20012", "UIImplementation Class UID"},
       {"20013", "SHImplementation Version Name"},
       ...
       {"FFFEE000", "DLItem"},
       {"FFFEE00D", "DLItem Delimitation Item"},
       {"FFFEE0DD", "DLSequence Delimitation Item"} 
   };
}
  2. DicomDecoder.cs，其主要功能是解析 DICOM 文件并将必要属性适当地存储起来。其中一个重要的方法旨在获取下一个标签
    int GetNextTag()
{
   int groupWord = GetShort();
   if (groupWord == 0x0800 && bigEndianTransferSyntax)
   {
      littleEndian = false;
      groupWord = 0x0008;
   }

   int elementWord = GetShort();
   int tag = groupWord << 16 | elementWord;

   elementLength = GetLength();

   // "Undefined" element length.
   // This is a sort of bracket that encloses a sequence of elements.
   if (elementLength == -1)
   {
      elementLength = 0;
      inSequence = true;
   }
   return tag;
}
  3. ImagePanelControl.cs，重用了我们撰写的早期文章中的代码。此图像面板内置图像滚动功能，以防图像尺寸大于显示区域。
  4. WindowLevelGraphControl.cs，主要负责在屏幕上显示图表控件。下面将对窗位进行解释。

主窗体有四个按钮——用于打开 DICOM 文件、查看标签、另存为 PNG 文件以及重置为原始窗位值。如果用户想查看标签及其值，则会出现以下屏幕，列出文件中存在的不同标签。

dicomImageViewer/DicomTags.png

窗位和窗宽

图像显示时，其亮度和对比度是其特征。当您将每个像素的灰度值增加一个单位时，您实际上将图像的亮度增加了单位。降低亮度也是如此。整体亮度低的图像看起来是暗的；而整体亮度高的图像看起来是亮的。对比度是图像中高低值之间差异的度量。如果两个相邻像素的灰度值差异很大，则它们之间的对比度被认为是高的；反之，如果两个相邻像素的灰度值差异很小，则它们之间的对比度被认为是低的。表示亮度和对比度的另一种方法是通过窗位和窗宽。简单来说，窗宽是显示的最亮像素值和最暗像素值之间的差异。而窗位（也称为窗中心）是最亮和最暗像素值之间的中间值。理解这些很简单，如果注意到涉及四个值：

  • 图像最小值，即任何特定图像中所有灰度值中的最小值
  • 图像最大值，即图像中所有灰度值中的最大值
  • 窗最小值，即显示为屏幕上零强度（暗）的下阈值
  • 窗最大值，即显示为屏幕上最高强度（亮）的上限值

上面列出的前两个值取决于图像，而接下来的两个值取决于用户的设置。所有灰度强度小于窗最小值的图像像素显示为暗（零强度），而所有灰度强度大于窗最大值的图像像素显示为亮（最大强度，通常为 255）。在窗最小值和最大值之间，映射函数（线性的或非线性的）将图像灰度值映射到显示的输出值。在本文中，我们仅限于线性映射，如下图所示（针对 16 位图像）。

dicomImageViewer/WindowLevelIntro.png

也可以从另一方面来看。可以调整图像的亮度和对比度以突出感兴趣的特征。这称为图像的“窗化”。对图像进行窗化时，会调整显示的灰度。本质上，窗最小值和窗最大值被操纵，以便更好地查看图像特征。窗位是窗最小值和窗最大值之间的中间值；换句话说，它是中心值，因此也称为窗中心。该数字越大，图像看起来越暗；反之亦然。窗宽是窗最大值和窗最小值之间的差值。差值越大，对比度越高。例如，考虑一个 16 位图像，用户可能希望关注强度在 40000 到 50000 之间的像素；在这种情况下，窗位成为中点值 45000，窗宽成为差值 10000。在此应用程序中，屏幕左侧的矩形窗口显示了从输入到输出的像素映射。下图显示了屏幕的一部分，仅显示了窗口/级别部分。窗宽由紫色线的长度表示。窗位由标记位置指示。

dicomImageViewer/WindowLevel1.png

当窗最小值或最大值超出原始图像范围时，表示窗宽的线将变为虚线样式，如下图所示

dicomImageViewer/WindowLevel2.png

要更改图像上的窗位和窗宽，只需在图像上右键拖动（单击并移动鼠标右键）。在垂直方向上右键拖动以修改窗位。在水平方向上右键拖动以修改窗宽。您可以将图像另存为 PNG，并保留当前的窗位设置。

已知问题

打开图像并按下 Alt 键时，图像会消失。但是，在强制重绘后（例如，通过最小化并恢复查看器窗口）它会再次出现。

闭包

本文介绍了一个简单的 DICOM 文件显示应用程序。简要解释了 DICOM 术语，然后简要解释了 DICOM 文件格式。该应用程序深受 ImageJ 的启发。此处显示的查看器可用于查看具有显式和隐式 VR 传输语法的文件，而不适用于包含压缩图像数据的。您还可以通过在图像上右键拖动来修改图像的窗宽和窗位。

修订历史

  • 2009 年 4 月，初版
  • 2010 年 4 月，扩展以包含窗/级别
  • 2011 年 1 月，扩展以包含 RGB 彩色和有符号 16 位图像
  • 2013 年 8 月，扩展以包含旧的 DICOM 文件；并进行了一些错误修复 
  • 2020 年 10 月，修复了几个错误。 

致谢

作者感谢 Guruprasad Bhat 和 Bhanuprakash P 就 DICOM 的各个方面进行的有益讨论。 

作者还感谢以下 CodeProject 用户提供有用的反馈，以对软件进行更新：

  • Guiseppe Marchi，http://www.peppedotnet.it，http://www.sharepointcommunity.it，他为我们提供了超声图像样本
  • Vignesh Babu M，他为我们提供了超声图像样本
  • Zhang，他指出了关于有符号 16 位图像的一个错误
  • Matius Montroull，他指出了有符号图像的一个问题 
  • Mark Sedrak，他指出了在遇到空字符串时的一个异常
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